基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)(共26頁)

1、基于(jy)單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)The Design of Digital Frequency Meter Based on Single Chip Microcomputer學(xué)生姓名：所在學(xué)院：所在專業(yè)：指導(dǎo)教師：職 稱：所在單位：論文提交日期：論文答辯日期：學(xué)位授予單位：1學(xué)士學(xué)位論文基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)目 錄TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc418795377 摘要(zhiyo) PAGEREF _Toc418795377 h I HYPERLINK l _Toc418795378 Abstract PAGEREF _Toc418795378 h I

2、I HYPERLINK l _Toc418795379 第1章緒論(xln) PAGEREF _Toc418795379 h 1 HYPERLINK l _Toc418795380 1.1 課題(kt)背景 PAGEREF _Toc418795380 h 1 HYPERLINK l _Toc418795381 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc418795381 h 1 HYPERLINK l _Toc418795382 1.3 頻率測量方法概述 PAGEREF _Toc418795382 h 2 HYPERLINK l _Toc418795383 1.4 本文研究內(nèi)容 PAGE

3、REF _Toc418795383 h 3 HYPERLINK l _Toc418795384 第2章基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc418795384 h 4 HYPERLINK l _Toc418795385 2.1 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)組成 PAGEREF _Toc418795385 h 4 HYPERLINK l _Toc418795386 2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng) PAGEREF _Toc418795386 h 4 HYPERLINK l _Toc418795387 2.3 輸入放大整形電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc418795387 h 5 HYPERL

4、INK l _Toc418795388 2.4 分頻電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc418795388 h 6 HYPERLINK l _Toc418795389 2.5 頻率量程自動匹配模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc418795389 h 7 HYPERLINK l _Toc418795390 2.6 頻率測量原理 PAGEREF _Toc418795390 h 8 HYPERLINK l _Toc418795391 2.7 顯示模塊設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc418795391 h 9 HYPERLINK l _Toc418795392 2.8 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _To

5、c418795392 h 9 HYPERLINK l _Toc418795393 2.9 本章小結(jié) PAGEREF _Toc418795393 h 10 HYPERLINK l _Toc418795394 第3章基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc418795394 h 11 HYPERLINK l _Toc418795395 3.1 數(shù)字頻率計(jì)軟件系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc418795395 h 11 HYPERLINK l _Toc418795396 3.1.1 主程序 PAGEREF _Toc418795396 h 11 HYPERLINK l _Toc4

6、18795397 3.1.2 頻率測量子程序 PAGEREF _Toc418795397 h 11 HYPERLINK l _Toc418795398 3.1.3 顯示子程序 PAGEREF _Toc418795398 h 12 HYPERLINK l _Toc418795399 3.2 軟件仿真 PAGEREF _Toc418795399 h 13 HYPERLINK l _Toc418795400 3.2.1 輸入放大整形電路仿真 PAGEREF _Toc418795400 h 13 HYPERLINK l _Toc418795401 3.2.2 頻率測量與顯示電路仿真 PAGEREF _

7、Toc418795401 h 14 HYPERLINK l _Toc418795402 3.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc418795402 h 16 HYPERLINK l _Toc418795403 第4章總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc418795403 h 17 HYPERLINK l _Toc418795404 4.1 總結(jié) PAGEREF _Toc418795404 h 17 HYPERLINK l _Toc418795405 4.2系統(tǒng)(xtng)改進(jìn)意見 PAGEREF _Toc418795405 h 17 HYPERLINK l _Toc418795406 4.2

8、.1 硬件(yn jin)的改進(jìn) PAGEREF _Toc418795406 h 17 HYPERLINK l _Toc418795407 4.2.2 軟件(run jin)的改進(jìn) PAGEREF _Toc418795407 h 17 HYPERLINK l _Toc418795408 4.3 本章小結(jié) PAGEREF _Toc418795408 h 18 HYPERLINK l _Toc418795409 結(jié)論 PAGEREF _Toc418795409 h 19 HYPERLINK l _Toc418795410 致謝 PAGEREF _Toc418795410 h 22 HYPERLIN

9、K l _Toc418795411 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc418795411 h 20 HYPERLINK l _Toc418795412 附錄A 電路總圖 PAGEREF _Toc418795412 h 23 HYPERLINK l _Toc418795413 附錄B 程序 PAGEREF _Toc418795413 h 24 II摘 要頻率測量是電子測量領(lǐng)域的一個重要組成部分，頻率計(jì)作為頻率測量的主要儀器，被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘５纳a(chǎn)、生活之中。但傳統(tǒng)的頻率計(jì)都是以分立元件組成的，不但體積大，不易于攜帶，而且存在測量頻率范圍(fnwi)有限、測量頻率精度低、反應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，這種

10、頻率計(jì)的修改十分麻煩，很難適應(yīng)當(dāng)前電子儀器更新?lián)Q代塊的特點(diǎn)。單片機(jī)等可編程器件的出現(xiàn)為頻率計(jì)的數(shù)字化、便攜化、智能化帶來了新的技術(shù)手段。本文提出了一種基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)設(shè)計(jì)方案，采用單片機(jī)技術(shù)的數(shù)字頻率計(jì)不但測量頻率范圍寬、測量精度高、測量反應(yīng)速度快，而且體積小，易于攜帶，更重要的是這種頻率計(jì)是通過單片機(jī)程序進(jìn)行(jnxng)控制的，很容易對其功能進(jìn)行修改。本文中采用直接測量法對頻率進(jìn)行測量，提出了頻率范圍自動檢測電路，對頻率范圍進(jìn)行自動檢測，從而確定閘門時間，在保證了測量精度的同時保證了頻率計(jì)的自動化和智能化。關(guān)鍵詞：頻率(pnl)計(jì)；單片機(jī)；自動頻率匹配AbstractFrequenc

11、y measurement is an important part in the field of electronic measurement, frequency meter frequency measurement most main instruments, are widely used in Peoples Daily production and life. But the traditional frequency meter is composed of discrete component, not only the volume is big, not easy to

12、 carry, and measuring frequency range is limited and the disadvantage of low frequency precision, response speed slower, this kind of change of frequency meter is very trouble, it is difficult to adapt to the characteristics of the current electronic equipment renewal. The emergence of the microcont

13、roller and programmable device for digital frequency meter, portable and intelligent brings new technical means.This paper proposes a digital frequency meter based on single chip microcomputer, using single chip microcomputer technology of digital frequency meter not only wide frequency range, high

14、accuracy of measurement, measurement response speed, and small volume, easy to carry, more important is that the frequency meter is controlled by singlechip procedures, it is easy to modify its function. The frequency is measured by using the direct measurement method in this paper, put forward the

15、frequencies range of automatic detection circuit, the frequency range for automatic detection, to determine the gate time, in ensuring the at the same time to ensure the accuracy of measurement of frequency meter automation and intelligent.Keywords ：frequency meter; MCU; frequency automatic matching

16、1學(xué)士學(xué)位論文第1章 緒論 第1章 緒論(xln)1.1 課題(kt)背景隨著數(shù)字電路技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣泛，傳統(tǒng)的通用數(shù)字集成電路芯片的功能已經(jīng)很難滿足系統(tǒng)功能不斷發(fā)展對數(shù)字集成電路所提出的新要求，而且為了滿足越來越復(fù)雜的功能，電路板上的數(shù)字電路芯片數(shù)目也呈爆炸式的增長，使得電路體積越來越大，系統(tǒng)的可靠性很難得到保障。另一方面，科技發(fā)展速度不斷加快，導(dǎo)致現(xiàn)在數(shù)字產(chǎn)品的壽命越來越短，數(shù)字產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，一個電路可能需要在很短的時間內(nèi)完成修改來滿足新的功能要求，這就需要重新的進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和電路布線。而可編程邏輯器件克服了傳統(tǒng)數(shù)字電路集成芯片的上述缺點(diǎn)，它通過(tnggu)編程的方

17、式將數(shù)字電路集成到了一塊尺寸很小的硅片上，成功的減少了電路的體積、增加了系統(tǒng)的可靠性，而且通過編程語言來更改電路的功能將極大的提高開發(fā)的速度、減小開發(fā)周期，單片機(jī)就是一種典型的可編程器件，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在電子產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用。本文將設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)，具有很高的研究價值12。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀為了能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜的功能，精確地電子測量顯得尤為重要，電子測量的一個重要領(lǐng)域就是頻率測量，通過對頻率的精確測量能夠直接或間接的得到我們想要的信息，從而完成對復(fù)雜問題的分析與解決，比如我們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ姷囊环N頻率測量設(shè)備時鐘，就是通過對頻率的測量來幫助我們判斷時間的長短；衛(wèi)星定位系統(tǒng)（

18、GPS）是科研中經(jīng)常要使用到的一種儀器，現(xiàn)在也成為了汽車導(dǎo)航定位的器件，其原理也是通過頻率的測量來確定GPS終端與GPS衛(wèi)星之間的距離，從而間接完成GPS定位，確定GPS終端的坐標(biāo)?？梢钥吹?，頻率測量在我們的日常生活中無處不在、無時不刻不在影響著我們的日常生活。因此，采用更加科學(xué)、有效的方式來進(jìn)行頻率測量，以提高頻率測量的精度也就顯得尤為重要，可編程器件的不斷發(fā)展為頻率測量范圍的提高、頻率測量精度的不斷提高帶來新的技術(shù)手段和契機(jī)3。近些年來，隨著集成電路的不斷發(fā)展與進(jìn)步，頻率測量技術(shù)也隨之發(fā)展的越來越快。大多數(shù)的工作集中于測量方法的創(chuàng)新與改進(jìn)、測量儀器的更新與發(fā)展，以便以更高的精度、更快的速度

19、、更先進(jìn)的自動化和智能化來滿足頻率測量領(lǐng)域新的技術(shù)要求和發(fā)展方向4。通過對過去二十年來中國頻率計(jì)市場的分析不難發(fā)現(xiàn)(fxin)，專注于頻率計(jì)生產(chǎn)的廠家有幾十家之多，主要集中在江蘇、四川、河北、上海等電子工業(yè)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，不同類型的產(chǎn)品品牌也達(dá)到上百種之多5。這些國內(nèi)產(chǎn)品都在不斷的通過采用大規(guī)模集成電路和集成電路來對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)方式(fngsh)、增進(jìn)產(chǎn)品的多功能化和小型化等方面都取得了長足進(jìn)步。近幾年來，一方面，我國電子儀器儀表產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，而另一方面，市場對儀器儀表的需求不斷增長,生產(chǎn)(shngchn)廠商不斷通過采用新器件和新技術(shù)來提高產(chǎn)品質(zhì)量，使頻率計(jì)的便攜性、智能性和自動化

20、等方面都有了很大提高,其測頻范圍、顯示效果、采樣靈活靈敏度、測量精度等技術(shù)性能已接近或達(dá)到國外先進(jìn)水平。可見頻率計(jì)的市場發(fā)展前景是相當(dāng)樂觀的，電子儀器儀表市場與全國經(jīng)濟(jì)前景一樣變得越來越好6 7。1.3 頻率測量方法概述大體上來分，頻率測量的方法有兩種：直接頻率測量方法和間接頻率測量方法。下面對這兩種方法進(jìn)行一下簡單的介紹8。直接測量法常見的直接頻率測量方法也分為兩種：測頻法和測周期法。測頻法就是在確定的閘門時間Tw內(nèi)，對輸入信號變化的周期數(shù)（或者脈沖個數(shù)）Nx進(jìn)行記錄，那么被測信號的頻率Fx=Nx/Tw。而測周期法則需要有一個頻率為Fs標(biāo)準(zhǔn)信號，在輸入信號的一個周期Tx內(nèi)，對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的周

21、期數(shù)Ns進(jìn)行記錄，那么可以得到輸入信號的頻率是Fx=Fs/Ns。對于這兩種測頻方法而言，最終的計(jì)數(shù)值都會產(chǎn)生正負(fù)1個周期誤差，并且最終的測量精度都會取決于計(jì)數(shù)器中記錄的數(shù)值Nx或Ns。為了保證測量精度，一般情況下都會將輸入信號的頻率以中界頻率為界限分成兩部分，采用不同的閘門時間進(jìn)行測量。間接測量法間接測頻法一般應(yīng)用于高精度方面的頻率測量，測得的頻率精度非常高，尤其在空間技術(shù)領(lǐng)域。比較常見的間接測頻方法主要是等精度測頻法。等精度測頻方法是在直接測頻方法的基礎(chǔ)上改良得到的，采用這種方法進(jìn)行頻率測量時，閘門時間不是固定的，而是根據(jù)被測信號周期進(jìn)行調(diào)節(jié)的，一般為其整數(shù)倍，并與被測信號同步。因此，消除了

22、對被測信號計(jì)數(shù)所產(chǎn)生正負(fù)一個周期的誤差，并且達(dá)到了在整個測量頻率范圍內(nèi)的等精度測量，測量信號的精度不隨被測信號頻率而變化。傳統(tǒng)的數(shù)字頻率計(jì)一般由分立元件組合而成。其所測量的頻率范圍、測量精度和測量速度(sd)均受到較大的限制。單片機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用改善了這種情況，本文將設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)9 10。1.4 本文研究(ynji)內(nèi)容通過上面對頻率計(jì)的介紹中我們能夠看到，單片機(jī)這種可編程器件的出現(xiàn)為頻率計(jì)的發(fā)展提供了新的技術(shù)手段和發(fā)展契機(jī)，本文將據(jù)此設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)，輸入(shr)頻率范圍寬達(dá)1Hz60MHz，本文將對頻率計(jì)軟硬件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)，具體工作有以下幾點(diǎn)：在第二章中對

23、頻率計(jì)的各部分硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行理論推導(dǎo)與設(shè)計(jì)；在第三章中，對頻率計(jì)中的單片機(jī)軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括各軟件模塊的設(shè)計(jì)思路與流程；在第三章中，對設(shè)計(jì)的數(shù)字頻率計(jì)進(jìn)行軟件仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的有效性。后期對設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，為下一步的工作確定方向。第2章 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)硬件設(shè)計(jì)第2章 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)硬件(yn jin)設(shè)計(jì)2.1 基于單片機(jī)的數(shù)字(shz)頻率計(jì)組成本設(shè)計(jì)中的數(shù)字頻率計(jì)是以單片機(jī)作為控制核心，以放大整形電路、分頻(fn pn)電路、頻率量程自動匹配模塊以及顯示模塊五部分組成11，數(shù)字頻率計(jì)的組成如圖2.1所示。圖2.1 數(shù)字頻率計(jì)組成框圖從圖2-1中可以看

24、到，輸入的被測信號首先要送入到放大正想電路中，放大整形電路首先要將輸入的信號進(jìn)行電壓放大，以增加輸入電壓范圍，接下來要對放大后的信號進(jìn)行整形，將各種不同波形的信號整形成單片機(jī)能夠識別的脈沖信號；經(jīng)過放大整形后的脈沖信號送入到分頻電路中進(jìn)行預(yù)分頻處理；接下來，將分頻后的脈沖信號分別送入到頻率量程自動匹配模塊中和單片機(jī)T0計(jì)數(shù)器的輸入端；頻率量程自動匹配模塊的作用是根據(jù)輸入信號頻率的范圍來自動確定閘門時間，單片機(jī)在閘門時間內(nèi)對輸入脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而確定被測信號的頻率，并將結(jié)果通過顯示模塊進(jìn)行顯示12。2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)本設(shè)計(jì)中將采用STC89C52單片機(jī)作為中央控制器，進(jìn)行計(jì)數(shù)、結(jié)果顯示和頻

25、率量程判斷等工作，基于STC89C52單片機(jī)的電路圖如圖2.2所示。圖2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)(xtng)從圖2-2中可以(ky)看到，最小系統(tǒng)(xtng)有晶振電路、復(fù)位電路和串口通信電路三部分組成。晶振電路：本設(shè)計(jì)中，為了提高頻率測量范圍，提高測量精度，選用了 STC89C52單片機(jī)能夠正常工作時的最高晶振頻率24MHz作為單片機(jī)的工作頻率，晶振兩端的對地電容是用來幫助起振，并有一定的濾波作用；串口通信電路：該電路模塊的作用是用來進(jìn)行程序下載，采用RS232串口通信協(xié)議，用MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換；復(fù)位電路，復(fù)位電路的作用是對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，本設(shè)計(jì)中采用手動復(fù)位模式，方便進(jìn)行調(diào)試工作。2

26、.3輸入放大整形電路設(shè)計(jì)輸入放大整形電路主要有以下兩個作用：一是對輸入信號進(jìn)行電壓放大，提高頻率計(jì)的測量范圍；二是進(jìn)行波形整形工作，將輸入的不同波形信號整形成為單片機(jī)能夠識別的脈沖方波信號13 14。輸入放大整形電路如圖2.3所示。圖2.3 輸入放大整形電路從圖2.3中能夠看到，輸入放大(fngd)整形電路由兩級組成，一是輸入放大電路；二是波形整形電路。輸入放大(fngd)電路：放大電路是由晶體管構(gòu)成的零偏置放大電路，起對輸入信號進(jìn)行電壓放大的作用，當(dāng)輸入信號的電壓小于晶體管的導(dǎo)通電壓或?yàn)樨?fù)電壓時，晶體管截止，此時晶體管的輸出電壓為高電平（接近于Vcc）；當(dāng)輸入電壓高于晶體管的導(dǎo)通電壓時，晶體

27、管導(dǎo)通，輸出電壓隨輸入電壓的增大而減小。輸入放大電路把正負(fù)(zhn f)交替的三角波、正弦波等輸入波形整形為單極性波形。整形電路：整形電路是由施密特反向器74LS14構(gòu)成的，對放大電路的輸出信號進(jìn)行整形，將輸入的各種不同波形的信號整形為邊沿陡峭的方波，信號頻率與輸入信號頻率保持一致。從而保證了頻率計(jì)能夠?qū)θ遣?、正弦波等各種不同波形的信號進(jìn)行頻率測量。2.4 分頻電路設(shè)計(jì)分頻電路的作用是對輸入放大整形電路輸出的方波信號進(jìn)行預(yù)分頻操作。前面提到，本設(shè)計(jì)中采用24MHz晶振為系統(tǒng)提供時鐘，根據(jù)51單片機(jī)的特性，能夠進(jìn)行的計(jì)數(shù)頻率fs=24/12=2MHz，再根據(jù)奈奎斯特采樣定律，能夠測量的最高頻率

28、fmaxfs/2=1MHz。而該頻率計(jì)要求的頻率輸入范圍是1Hz60MHz，故將對待處理信號進(jìn)行100分頻，將輸入到單片機(jī)的信號頻率降至0.01Hz600KHz之間15，分頻電路圖如圖2.4所示。圖2.4 分頻電路圖從圖2.4中可以看到，100分頻電路由兩個相對獨(dú)立的10分頻電路來構(gòu)成，輸入信號經(jīng)過第一級分頻電路后，輸出信號頻率為輸入信號頻率的十分之一，而經(jīng)過第二級后再降十分之一，從而完成了100分頻。在單片機(jī)程序中，計(jì)算完頻率后再乘以100，即可得到實(shí)際頻率值，然后送入到顯示電路中進(jìn)行顯示。本文選用CD4017芯片完成10分頻，用兩級CD4017進(jìn)行串聯(lián)完成100分頻。2.5頻率(pnl)量

29、程自動匹配模塊設(shè)計(jì)頻率測量(cling)的基本方法是在1s內(nèi)對輸入的脈沖個數(shù)進(jìn)行(jnxng)計(jì)數(shù)，所得計(jì)數(shù)值就是所要測量的頻率；但是在高頻情況下，計(jì)數(shù)值將會很大，比如在最高頻率600KHz的情況下，1s內(nèi)的計(jì)數(shù)值為600000，而單片機(jī)的計(jì)數(shù)器為16位計(jì)數(shù)器，最高的計(jì)數(shù)值為65536，將會出現(xiàn)計(jì)數(shù)溢出的現(xiàn)象；另一方面，在低頻下，就需要較長的時間進(jìn)行頻率測量；在中頻段，則可以直接采用最基本的測頻方式。本設(shè)計(jì)中將采用高通濾波器與低通濾波器聯(lián)合使用的方式來進(jìn)行頻率量程自動匹配，高通濾波器與低通濾波器的電路圖分別如圖2.5和圖2.6所示。圖2.5 截止頻率為500Hz的低通濾波器圖2.6 截止頻率為

30、50KHz的高通濾波器分別將低通濾波器與高通濾波器的輸出端接到單片機(jī)的P1.0口P1.1口，單片機(jī)根據(jù)這兩個I/O口的輸入狀態(tài)來自動判斷輸入信號的頻率范圍，并根據(jù)輸入信號的頻率范圍自動對計(jì)數(shù)器的閘門時間進(jìn)行設(shè)置，I/O狀態(tài)、量程范圍與設(shè)置的閘門時間的對應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。表2.1 量程自動判斷與閘門時間(shjin)對應(yīng)關(guān)系P1.1P1.0輸入頻率范圍設(shè)置閘門時間0050KHz5MHz1s105MHz60MHz100ms011Hz5MHz10s2.6頻率(pnl)測量原理本設(shè)計(jì)(shj)中采用的測量方法是：首先根據(jù)輸入頻率的范圍對閘門時間進(jìn)行判斷，確定計(jì)數(shù)的閘門時間，然后在閘門時間內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)

31、，最后在根據(jù)計(jì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，得到最終的頻率值，送顯示模塊進(jìn)行顯示16。頻率測量的原理流程圖如圖2.7所示。圖2.7 頻率測量原理流程圖首先，經(jīng)過分頻后的方波信號送入到頻率范圍檢測模塊中，并將檢測結(jié)果送入到單片機(jī)的P1.0和P1.1口中，單片機(jī)通過程序來對輸入的頻率范圍進(jìn)行自動識別。接下來，單片機(jī)要根據(jù)識別結(jié)果來對閘門時間進(jìn)行設(shè)置，本設(shè)計(jì)中將采用定時器T1來進(jìn)行閘門時間的可控制，所以單片機(jī)就是要設(shè)置定時器T1的初值。這里存在一個問題，在采用24M晶振的情況下，T1計(jì)數(shù)器所能產(chǎn)生的最長計(jì)數(shù)時間約為37ms，本設(shè)計(jì)中將T1定時器的時間固定設(shè)置為20ms，通過自定義一個全局變量counter來達(dá)到10

32、0ms、1s和10s定時的目的17 18。最后，就是要對外部輸入的方波信號進(jìn)行計(jì)數(shù)了，采用T0計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，外部下降沿觸發(fā)方式，假設(shè)在閘門時間內(nèi)所計(jì)脈沖數(shù)目為Ns，則在低頻范圍內(nèi)，實(shí)際的測量結(jié)果fs=10Ns；在中頻范圍內(nèi)，被測信號的實(shí)際頻率fs=100Ns；在高頻范圍內(nèi)，被測信號的實(shí)際頻率fs=1000Ns，單位都是Hz。最后將結(jié)果送入到顯示模塊進(jìn)行顯示即可。2.7顯示(xinsh)模塊設(shè)計(jì)顯示電路的作用是對測量結(jié)果進(jìn)行顯示，為了保證顯示精度，本文(bnwn)將采用8個七段數(shù)碼管進(jìn)行(jnxng)顯示，顯示模塊電路圖如圖2.8所示。圖2.8 顯示電路電路圖本設(shè)計(jì)中采用的是共陽極的七段數(shù)碼管

33、；同時，由于單片機(jī)的I/O口數(shù)量有限，為了達(dá)到節(jié)省資源的目的，選用74LS138與74LS164對數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動，其中74LS138負(fù)責(zé)進(jìn)行片選；74LS164負(fù)責(zé)進(jìn)行段選，即決定所要顯示的內(nèi)容，具體的掃描方式如下：片選：74LS138是一個三八譯碼器，被選中的輸出端輸出高電平，其余管腳輸出低電平。所以，同一時間只有一個數(shù)碼管會被選通，對要顯示的內(nèi)容進(jìn)行顯示，延時2ms后，進(jìn)行下一個數(shù)碼管的顯示，如此不斷的進(jìn)行循環(huán)掃描，利用人眼的視覺殘留效果就實(shí)現(xiàn)了對8個數(shù)碼管的顯示任務(wù)。段選：74LS164是一款8位移位寄存器；在顯示的過程中，首先要把將要顯示的數(shù)據(jù)一位一位的通過74LS164的串行數(shù)據(jù)輸入

34、端送入到74LS164中；然后，打開所要顯示的數(shù)碼管的片選，進(jìn)行顯示，延時2ms左右后，關(guān)閉片選，將下一位要顯示的數(shù)據(jù)送入到74LS164中進(jìn)行下一位的顯示，如此循環(huán)，就可以完成掃描顯示了。74LS164有8位輸出，對應(yīng)了七段數(shù)碼管的七個段選端和一個小數(shù)點(diǎn)。2.8電源(dinyun)系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字頻率計(jì)是對頻率進(jìn)行測量的一種儀器，故高質(zhì)量的電源對整個(zhngg)儀器的性能起著至關(guān)重要的作用，為了保證紋波系數(shù)，本設(shè)計(jì)中選用線性電源對數(shù)字頻率計(jì)進(jìn)行供電，電源電路圖如圖2.9所示。圖2.9 電源(dinyun)電路圖從上面對于數(shù)字頻率計(jì)的硬件設(shè)計(jì)過程可以看出，整個頻率計(jì)的正常工作只需要一種5V電源。

35、從圖2.9中可以看到，220V的交流電首先進(jìn)行變壓器降壓為合適的電壓值，然后經(jīng)過由二極管構(gòu)成的橋式整流電路進(jìn)行整流，最后經(jīng)過電容濾波后送入到LM7805芯片中，最后輸出5V電壓為整個頻率計(jì)進(jìn)行供電，7805輸出端的22uF電解電容與104的瓷片電容共同構(gòu)成了電源的濾波電容19。2.9 本章小結(jié)本章主要對基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括輸入放大整形模塊、分頻模塊、頻率范圍自動匹配模塊、主控模塊以及顯示模塊五部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)。最后，對系統(tǒng)的電源系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在該章的硬件設(shè)計(jì)過程中，為了保證測量的范圍和測量的精度，對晶振、計(jì)數(shù)器等關(guān)鍵數(shù)值進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并創(chuàng)造性的提出了頻率范圍自動

36、匹配的測量方式，采用一個高通濾波器和一個低通濾波器來進(jìn)行頻率范圍自動判斷，省去了對頻率的預(yù)估計(jì)和鍵盤輸入等步驟，節(jié)省了硬件資源的同時也方便了頻率的測量。第3章 基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)軟件設(shè)計(jì)第3章 基于(jy)單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)軟件設(shè)計(jì)3.1 數(shù)字頻率計(jì)軟件系統(tǒng)整體(zhngt)結(jié)構(gòu)數(shù)字頻率計(jì)的軟件部分就是單片機(jī)的程序，主要包括主程序、頻率測量程序和顯示程序，頻率測量子程序又包括高頻(o pn)測量子程序、中頻測量子程序和低頻測量子程序三個部分。3.1.1 主程序程序啟動后，首先進(jìn)入初始化程序。設(shè)置一些標(biāo)志位和常量的初值。接下來，不斷讀取P1.0和P1.1的值，根據(jù)讀取結(jié)果來確定下一步的程序走

37、向。當(dāng)P11:0的值為0時，證明此時輸入信號為中頻信號（頻率在50KHz5MHz之間），則進(jìn)入中頻計(jì)數(shù)處理程序；當(dāng)P11:0的值為1時，證明此時輸入的信號為低頻信號（頻率低于50KHz），則進(jìn)入低頻計(jì)數(shù)處理程序；當(dāng)P11:0的值為2時，證明此時輸入信號為高頻信號（頻率高于5MHz），則進(jìn)入高頻計(jì)數(shù)處理程序；其他情況下不做處理，繼續(xù)進(jìn)行P11:0值的循環(huán)判斷。三類頻率計(jì)數(shù)處理程序的返回值均為輸入信號的頻率值，將頻率值送入到顯示程序中進(jìn)行顯示，顯示完成后返回主程序中繼續(xù)進(jìn)行P11:0狀態(tài)的循環(huán)判斷20。主程序流程圖如圖3.1所示。圖3.1 主程序流程圖3.1.2 頻率(pnl)測量子程序頻率(pn

38、l)測量子程序是由主程序調(diào)用來對頻率進(jìn)行測量的程序，從3.1.1節(jié)的討論(toln)中我們看到，頻率測量子程序分為低頻、中頻、高頻三種，其實(shí)，這三個程序的不同之處在于閘門時間的設(shè)定和最終頻率值的計(jì)算時，所以只需要在這兩個地方進(jìn)行區(qū)分即可，具體的區(qū)別已經(jīng)在2.6節(jié)中進(jìn)行了說明，這里就不再贅述了。進(jìn)入頻率測量子程序后，首先要根據(jù)頻率匹配結(jié)果對閘門時間進(jìn)行設(shè)置，同時將定時標(biāo)志位maker清零，標(biāo)志著計(jì)數(shù)時間還沒有到，接下來將計(jì)數(shù)器清零，使能計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)的過程中不斷對標(biāo)志位maker進(jìn)行判斷，當(dāng)maker被置1后，表明閘門關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)病讀出計(jì)數(shù)值，根據(jù)所讀取到的計(jì)數(shù)值進(jìn)行頻率計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果

39、返回給顯示程序進(jìn)行顯示，開啟中斷后返回主程序中，進(jìn)行顯示并等待下一次頻率測量21，頻率測量子程序流程圖如圖3.2所示。圖3.2 頻率測量子程序流程圖3.1.3 顯示子程序顯示電路是對測量所得到的頻率值進(jìn)行顯示。本設(shè)計(jì)所采用的是8位七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示，而所測量的頻率范圍是1Hz60MHz之間，頻率范圍非常寬，如果采用統(tǒng)一的單位對測量結(jié)果進(jìn)行顯示很難保證測量精度能夠被充分體現(xiàn)，故本文將采用不同的頻率單位對測量結(jié)果進(jìn)行顯示的方法來保證顯示精度。本設(shè)計(jì)(shj)中以1MHz作為顯示(xinsh)的分界點(diǎn)，當(dāng)頻率高于1MHz時，以KHz為單位對測量(cling)結(jié)果進(jìn)行顯示，保留到小數(shù)點(diǎn)后1位；而對于頻

40、率小于1MHz的頻率，則直接以Hz作為單位進(jìn)行顯示。同時用數(shù)碼管的最后一位對所采用的單位進(jìn)行標(biāo)識，H表示采用Hz作為單位22，而h表示采用KHz作為單位。圖3.3 顯示子程序流程圖從圖3.3中能夠看到，主程序調(diào)用顯示子程序后，首先要讀取由頻率測量子程序返回的頻率值，然后根據(jù)頻率值進(jìn)行判斷所屬的頻率范圍，對于1MHz以下的頻率值，直接進(jìn)行各位的拆分；而對于1MHz以上的頻率值，要先將頻率值除以1000（即得到一KHz為單位的頻率值），然后再拆分各位，最后將各位送到數(shù)碼管中進(jìn)行動態(tài)掃描顯示即可，完成一次掃描后，返回主程序，等待下一次的顯示。3.2軟件仿真接下來，我們將采用軟件仿真的方式對所設(shè)計(jì)的數(shù)

41、字頻率計(jì)進(jìn)行性能驗(yàn)證。從上面的設(shè)計(jì)過程中可以看到，硬件電路中的輸入放大整形電路保證被測信號能夠被采集的關(guān)鍵所在，故接下來我們將對輸入放大整形電路以及整體的頻率測量效果進(jìn)行仿真，采用proteus仿真軟件。3.2.1 輸入放大(fngd)整形電路仿真我們采用兩種不同幅值和頻率的正弦波進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)(shyn)，通道A輸入(shr)頻率為5KHz，幅值為12V的正弦波；通道B作為整形電路的輸出；通道C輸入頻率為20KHz，幅值為1.2V的正弦波；通道D為整形電路的輸出，仿真結(jié)果如圖3.2所示。圖3.2 輸入放大整形電路仿真結(jié)果從圖3.2中可以看到，通道A和通道B的Y軸的顯示單位為10mV，輸入電壓為

42、12V，雙極性的正弦波，而輸出電壓為5V的方波信號，為單極性的，X軸的單位是20us，那么輸入正弦波的頻率為5KHz，輸出方波的頻率也是5KHz，表明經(jīng)過輸入放大整形電路后的信號頻率并沒有發(fā)生改變；對比通道C和通道D可以看到，當(dāng)輸入電壓幅值為1.2V時，輸出信號的幅值仍然為5V的方波，而且頻率同為20KHz。通過仿真表明，不同幅值和頻率的周期信號經(jīng)過輸入放大整形電路后都會被整理成5V的方波，頻率保持不變。3.2.2 頻率測量與顯示電路仿真接下來，我們將對整個數(shù)字頻率計(jì)的測量效果進(jìn)行仿真；首先，我們用信號發(fā)生器產(chǎn)生一個50KHz的正弦波，輸入到數(shù)字頻率計(jì)中，同時將該信號接到示波器中；接下來，我們

43、將編寫好的程序通過Keil C編程軟件進(jìn)行編譯，并生成HEX文件，將HEX文件下載到Proteus軟件中的單片機(jī)中，仿真運(yùn)行，對比示波器與數(shù)字頻率計(jì)的測量結(jié)果，來驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的整體測量效果，仿真結(jié)果如圖3.3所示。圖3.3 50KHz正弦波輸入下頻率(pnl)測量與現(xiàn)實(shí)電路仿真結(jié)果從圖3.3的仿真結(jié)果中我們(w men)看到，在輸入端我們輸入了一個50KHz的正弦波，示波器中顯示(xinsh)的也是50KHz（X軸的單位是10us），數(shù)字頻率計(jì)的測量結(jié)果也是50KHz，能夠準(zhǔn)確測量出所輸入的波形頻率。我們再對一個10MHz的正弦波進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖3.4所示。圖3.4 10MHz輸入下頻率測

44、量與顯示(xinsh)電路仿真結(jié)果從圖3.4中可以看到，當(dāng)輸入(shr)頻率為10MHz時，顯示的單位(dnwi)已經(jīng)變成了“h”，表明此時是以KHz為單位對測量結(jié)果進(jìn)行顯示的，測量結(jié)果表明，輸入頻率為10MHz的周期信號，與示波器的顯示效果相同，再次證明了該數(shù)字頻率計(jì)的有效性。3.3 本章小結(jié)本章主要討論了基于單片機(jī)數(shù)字頻率計(jì)的軟件設(shè)計(jì)，并用proteus仿真軟件對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明本設(shè)計(jì)的合理性?；趩纹瑱C(jī)的數(shù)字頻率計(jì)的軟件部分主要包括主程序、頻率測量程序與顯示程序，三者之間相互配合、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，從而完成頻率測量工作。在軟件仿真中，首先對輸入放大整形電路進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明該電路能夠?qū)Σ煌斎敕?、不同輸入頻率和不同波形的信號進(jìn)行整形，最終得到單片機(jī)能夠識別的5V方波信號；接下來對頻率測量進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明頻率計(jì)測量的準(zhǔn)確性，并能夠?qū)Σ煌l率范圍的波形采用不同的單位進(jìn)行顯示，保證顯示精度。第4章 總結(jié)與展望第4章 總結(jié)(zngji)與展望4.1 總結(jié)(zngji)本文對基于單片機(jī)的數(shù)字頻率計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中軟、硬件的設(shè)計(jì)均采用模塊化思想，保證了每個模塊之間相對獨(dú)立，相互之間不相互干擾(gnro)，這種模塊化設(shè)計(jì)為整個頻率